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牛頓水桶實驗中的絕對時空觀

牛頓轉身在黑板上畫了一個大大的水桶的俯視圖,又在水桶的裡面畫了一些水,要不是牛頓一邊畫一邊解釋這是什麼,Tom和Jerry都會以為牛頓在畫大餅。

牛頓:「我們下面來做一個水桶實驗。Jerry你看到我畫的這個裝著半桶水的水桶了嗎?外面這一圈就是桶壁,裡面都是水。

【圖2-5】牛頓的水桶實驗

「現在,Jerry你想像你的身體突然縮小了,縮得很小,然後我把你固定在水面附近的桶壁上,讓你可以很方便地看到水的狀態。注意了,我現在用一根繩子把水桶吊起來,然後我把水桶這麼用力一轉,於是水桶就轉起來了。Jerry,你,在水桶裡面感覺好嗎?」

Jerry:「教授,感覺很不好,我的頭要暈了,我的眼睛在冒金星。」

牛頓:「堅持住,孩子,集中精神,觀察水面。」

Jerry:「放心吧,教授,我能堅持。」

牛頓:「Tom,我已經跟你們講過我的第一運動定理,物體會保持自己的慣性。水桶在剛剛開始旋轉起來的時候,整個水體因為要保持慣性,不會馬上跟著轉起來,水桶會轉得比水快很多,這一點不用懷疑。那麼在水桶剛開始旋轉的時候,在Jerry眼裡看來,水相對於他開始轉動起來了,我們現在向Jerry求證一下,看看是不是這樣。Jerry,快點告訴我你看到了什麼?」

Jerry:「教授,我聽到你跟Tom說的話了,正如你所說,我看到水轉動起來了。」

牛頓:「很好Jerry,我們都知道一個旋轉的物體會產生向外的離心力(準確地說是向心力),這個離心力表現在一個呈圓柱形的水體中,就會使得水面中心向下凹陷,這是我們在生活中經常觀察到的現象。Jerry,你看下水面發生了什麼。」

Jerry:「教授,我看到水面依然平靜如故,沒有往下凹陷,這可真奇怪了,我明明看到水在我眼前轉動啊?」

牛頓:「Tom,看到了吧,在我們眼裡,轉動剛開始的時候水面不凹陷非常正常,因為在我們眼裡水由於慣性還沒轉起來嘛。換句話說,水相對於絕對空間尚處於靜止狀態,但是對於桶壁上的Jerry來說,他把自己視為靜止狀態,所以水相對於他就是轉動的。現在我們稍等一下,因為水的黏著力,我們倆會看到水桶會帶動著水最終一起旋轉起來,然而對於桶壁上的Jerry來說,水就慢慢變成靜止的了。Jerry,你現在看到了什麼?」

Jerry:「教授,我看到水越轉越慢,越轉越慢,快要不動了。哦天哪,太不可思議了,水面正在向下凹去,這真是我這輩子見過的最不可思議的景象,水停止了旋轉,而水面憑空就凹下去了,但是又沒有漩渦,就好像水面上有一個無形的大鐵球把水給壓下去了一樣!」

牛頓:「你看,在Jerry眼中的神奇景象,在我們眼裡看來平常無奇,原因很簡單,此時的水相對於絕對空間開始旋轉起來了,這個旋轉的本質不因觀察者所取的參考系而改變。好了Jerry,我現在把你復原,你回來吧。」

Jerry擦了擦汗:「這真是一次奇妙的經歷,教授!」

牛頓:「讓我們再來回顧一下剛才那個水桶實驗,如果運動都是相對的,沒有一個絕對參考系的存在,那麼桶壁上的Jerry應該看到水面是先凹後平,因為在Jerry眼裡,水相對於自己是從轉動到靜止的。但是實際上Jerry和我們一樣都看到了水面是先平後凹的,這就是絕對空間存在的證明。」

牛頓得意地說完,看著Tom和Jerry,倆人還愣著呢,一時半會兒反應不過來。牛頓的水桶實驗雖然具備大智慧,但卻並不能讓所有人滿意,物理學界對這個實驗的質疑聲從來就沒有停止過。但畢竟牛頓的光芒實在太耀眼了,其他人的聲音很難發得出聲響。

Tom:「教授,你的這個思維實驗太偉大了,我折服了。」

Jerry:「教授,我恐怕一下子還不能完全理解,讓我回去再想想。」

牛頓:「Jerry,看不見摸不著而又真實存在的東西有很多,不只是絕對空間,還有一樣東西,你也看不見摸不著,但是我們誰也無法否認它的存在,那就是——時間。你們說說看,時間是什麼?」

Tom:「時間就是生命,時間就是金錢,時間就是知識,時間就是勝利,時間就是豐收,時間就是靈感,時間就是思考。」

Jerry:「時間就是教堂的鐘聲,時間就是太陽的東昇西落,斗轉星移,我說不清楚時間是什麼,但我分明感受到時間在流逝。」

牛頓:「時間是它自個兒的事情,它真實存在但又與外在的一切事務都無關,它絕對地、均勻地流逝,不與任何性質相關,任何力量都無法改變它絕對不變的頻率。威斯敏斯特大教堂的鐘聲12點整敲響,它就是12點整敲響,不會因為你在洗澡還是在跑步而改變它12點整敲響這個本質。Tom在倫敦,Jerry在巴黎,如果忽略聲音的傳播時間的話,當鐘聲響起的時候,你們都應當聽到鐘聲,在聽到的那一剎那你們倆若有心靈感應,你們會同時感受到對方傳遞的感受。時間對於世間萬物都是公平的,上帝他老人家既像一個慷慨的施主又像是一個超級吝嗇鬼,不論你是國王還是乞丐,他老人家從不……」

此時,下課鈴響了,Tom和Jerry幾乎是在鈴聲響起的同時消失在教室門口,消失速度之快,甚至讓牛頓都懷疑時間是不是真的存在了。

「……多給一點也不少給一點。」牛頓對著空氣(他早就習慣了)把最後一句話說完,也夾著講義走出了教室。

牛頓的時空觀符合我們大多數人的日常生活體驗,因此,牛頓的這套思想體系我相信也很容易被各位讀者所接受。況且,和牛頓的想法一樣本身就是一件多麼值得自豪的事情啊,牛頓那就是跟神一樣的存在,他是當時物理界的泰山北斗,他是物理界的教皇,牛頓說出的話就像是來自上帝的啟示。牛頓的絕對時空觀被鄭重地寫入他那本神書《原理》中。神書之所以是神書,是因為用神書中所描述的定理可以準確地預測月食、日食發生的時間,精確到分秒不差,還能通過計算,預言當時尚未被觀測到的太陽系行星的存在(海王星)。當預言被證實的時候,牛頓和他的神書的聲譽達到了空前的頂峰,再沒有人懷疑神書中描述的任何事情,牛頓的經典世界觀大有千秋萬載、一統江湖之勢。

然而,就在牛頓死後又過了一百多年,一系列的物理實驗都得到了讓人匪夷所思的結果,這些結果讓物理學家如此詫異,以至於他們一次次地懷疑自己的實驗設備是不是出了問題。但是所有的實驗被一再地重複,而且實驗結果都在無情地推翻著牛頓的絕對時空觀,整個物理界都陷入了瘋狂,物理學遇到了前所未有的危機。如若牛頓地下有知,他一定會說:「上帝啊,這一切到底是怎麼了?」

如果說到目前為止,本書所說的一切都還讓你覺得這個世界就是我所認識的那個天經地義的世界,那麼,接下去發生的一切,都將慢慢顛覆你的常識,開始挑戰你的思維極限。